Current state of the ecosystem of the reservoir cooler (on the example of the Surgut Power Station)

Full Text

Введение

Активное освоение территории и развитие нефтегазодобычи на севере Западной Сибири во второй половине XX в. потребовали значительного и прогрессирующего количества электроэнергии, что послужило причиной строительства в окрестностях г. Сургута двух крупных тепловых электростанций, работающих на попутном нефтяном газе: Сургутской ГРЭС-1 в 1972 г. и Сургутской ГРЭС-2 в 1985 г. В системе водного хозяйства электростанций для охлаждения циркуляционной воды на расстоянии 8,5 км от устья р. Черной было сооружено объединенное водохранилище-охладитель.

Водохранилища-охладители тепловых электростанций представляют собой особый класс природно-технических систем, в структуру которых входят как природные комплексы, так и производственные объекты и технологические процессы. Изучение закономерностей функционирования таких специфических экосистем представляется актуальным с точки зрения управления качеством вод, рациональной организации водопользования. К тому же в условиях севера Западной Сибири подобные водные экосистемы встречаются довольно редко и изучены недостаточно.

В научной печати имеются лишь незначительные сведения об экосистеме Сургутского водохранилища. В 2000–2004 гг. выполнено исследование водных беспозвоночных в водохранилище-охладителе Сургутских ГРЭС, проведена оценка экологического состояния водного объекта с использованием организмов-индикаторов сапробности [1].

Имеются сведения о разнообразии, обилии и морфо-патологических изменениях рыб в р. Черной и Сургутском водохранилище как индикаторах антропогенного воздействия [2–4]. Доминирующий комплекс ихтиофауны этих водных объектов представлен рыбами семейства карповых: плотва – доминант, лещ и язь – субдоминанты.

В работах [5–6] представлен значительный фрагмент настоящего исследования – результаты двухлетнего мониторинга температуры и физико-химических показателей проб воды за период 2014–2016 гг. Вода водохранилища-охладителя в прибрежной зоне акватории Сургутских ГРЭС по показателям химического состава характеризуется преимущественно как нейтральная, маломинерализованная, очень мягкая. Было выявлено превышение нормативов ПДК_вр ионов аммония до 8 раз и нитрит-ионов до 15 раз, превышение региональных фоновых концентраций хлорид-ионов [7, с. 68; 8]. На основе анализа результатов пространственного распределения физико-химических показателей выявлено три характерных участка акватории водохранилища: 1 – фоновый участок р. Черной, в котором все исследованные показатели имели наиболее низкие значения, характерные для ненарушенных природных водоисточников Среднего Приобья; 2 – участок акватории с преимущественно рекреационным характером антропогенной нагрузки от СОТ, где отмечено увеличение значений рН, концентраций биогенных ионов, органических веществ, растворенных солей, никеля; 3 – участок акватории ниже плотины ГРЭС с техногенным характером антропогенной нагрузки, на котором зафиксировано увеличение температуры воды, значений рН, концентраций свинца и хрома, снижение концентрации кислорода, марганца, органических веществ, биогенных ионов. Выявлены индикаторы характера антропогенной нагрузки на водный объект. Индикаторами рекреационной антропогенной нагрузки являются высокие концентрации биогенных ионов. Индикаторами техногенной нагрузки от тепловой электростанции выступают высокая температура воды, переход рН в область слабощелочных значений, дефицит кислорода, увеличение концентраций свинца и хрома, снижение концентраций органических веществ, растворенных солей и биогенных ионов ниже фоновых значений.

Целью настоящего исследования являлась оценка современного состояния Сургутского водохранилища в условиях антропогенной нагрузки.

Авторы выражают благодарность В.Н. Тюрину и Ю.Р. Габдрахмановой за подготовку цифровых тематических карт водохранилища, Е.В. Рыбчак за помощь в отборе и анализе проб воды.

Объект и методы исследования

Объектом исследования является объединенный водоем-охладитель ГРЭС-1 и ГРЭС-2 (Сургутское водохранилище), расположенный на территории г. Сургута Ханты-Мансийского автономного округа – Югры. Площадь акватории 35 км², емкость 14,5 млн м³, средняя глубина водохранилища 5 м, максимальная глубина – 7 м. Фоновые наблюдения для оценки характера и интенсивности антропогенной нагрузки осуществлялись на р. Черной, выше по течению от плотины ГРЭС. Река Черная – сравнительно небольшой правобережный приток Оби в среднем ее течении. Длина реки до устья составляет 93 км, площадь водосбора – 776 км² [9, с. 20].

Основными водопользователями объединенного водохранилища на р. Черной являются Сургутская ГРЭС-1 и ГРЭС-2. Основной характер антропогенного воздействия на экосистему водохранилища проявляется в тепловом загрязнении, которое обусловливает изменение среднегодовой температуры воды и отсутствие ледостава, а значит, и изменение кислородного режима, а также других гидрохимических показателей. Кроме того, в границах площади водосбора р. Черной и в прибрежной зоне водохранилища расположены многочисленные садово-огороднические товарищества (СОТ), железная дорога, промышленные зоны предприятий г. Сургута и Сургутского района [5, с. 89].

С целью выявления площадей и типов затопленных ландшафтов на месте Сургутского водохранилища использовалось сопоставление и сопряженный анализ карт разного содержания и времени на одну и ту же территорию. В данной работе использовались программы MapInfo Professional и Google Earth. В качестве начальной основы из Google Earth были взяты космоснимки Image 2015 с акваторией Сургутского водохранилища. Также был использован фрагмент топографической карты Сургутского района 1965–1985 гг. (до строительства водохранилища).

Отбор проб поверхностных вод осуществляли в соответствии с ГОСТ 31861–2012 [10] в 15 контрольных створах в прибрежной зоне акватории водохранилища в период осенней межени в 2014 и 2016 гг. Схема расположения точек отбора проб воды представлена на экологической карте водохранилища (рис. 1), которая также была подготовлена в рамках настоящего исследования.

 

Рисунок 1 – Экологическая карта Сургутского водохранилища

 

Для оценки качества вод и потенциала водного объекта к самоочищению использовали стандартные методы гидрохимического анализа и количественного учета микроорганизмов различных эколого-трофических групп [11–12]. Значительным фрагментом данного исследования явилась подробная гидрохимическая характеристика прибрежной зоны Сургутского водохранилища [5–6]. В настоящей статье представлены результаты количественного учета сапрофитных гетеротрофных бактерий (СБ, среда МПА, культивирование при 25°С в течение 5 суток), бактерий группы кишечной палочки (БГКП, среда Эндо, культивирование при 37°С в течение 1 суток), бактерий цикла азота (БЦА), усваивающих аммонийный азот и полимерные субстраты (крахмало-аммиачный агар, культивирование при 25°С в течение 14 суток). Соотношение численности бактерий СБ и БЦА позволило оценить потенциал водного объекта к самоочищению [13]. Характерные морфологические формы бактерий были изолированы, микроскопированы, определена их грампринадлежность и морфологическая форма.

Статистическая обработка полученных данных выполнена в программе StatSoft Statistica v6.0 Rus. Нормальность распределения массивов данных проверялась при помощи квантиль-анализа. Взаимосвязи полученных гидрохимических и микробиологических показателей определяли при помощи корреляционного анализа (по Пирсону), статистическую значимость коэффициентов корреляции – при помощи t-критерия Стьюдента (α = 0,05). Коэффициенты корреляции для пар показателей, оказавшихся статистически не значимыми, были исключены из дальнейшего анализа.

Полученные результаты и обсуждение

На рис. 2 представлена карта затопленных участков и диаграмма, отражающая соотношение площадей затопленных земель. В целом площадь затопления составила 2211 га. Большая часть ложа водохранилища была занята лесной растительностью – 1104 га. Лесные экосистемы в данном районе представлены сосняками, березняками, реже кедрачами и смешанными насаждениями. Есть участки, где лес был вырублен, площадь таких участков составила 81 га (4% от всей площади затопления). Болотные экосистемы занимали 5% от затопленной территории – 120 га, из них 53 га приходится на рямы (сосново-кустарничково-сфагновые болота), остальные 67 га – открытые моховые болота. Притеррасная зона обско-чернореченской поймы была представлена заболоченными зарослями кустарниковых ив – 153 га. Также здесь были широко распространены пойменные луга и травяные болота – 438 га (20% территории). Пойменные луга в данном районе обычно представлены разнотравно-злаковыми и крупноосоковыми сообществами – 260 га (12%) [14, с. 36].

 

Рисунок 2 – Карта компонентов ландшафтов, затопленных при строительстве Сургутского водохранилища (составлена Ю.Р. Габдрахмановой и В.Н. Тюриным, оформлена Ю.Р. Габдрахмановой)

 

Результаты количественного учета микроорганизмов в пробах воды представлены на рис. 3. Численность сапрофитных бактерий значительно меняется от фоновых участков р. Черная вниз по течению. На фоновом участке численность СБ составляет 7–10 тыс. кл/мл, далее повышается до максимальных значений 21–39 тыс. кл/мл в точках 5–10, эти точки территориально соответствуют участкам СОТ, которые выходят в акваторию водохранилища. За плотиной численность сапрофитных бактерий уменьшается в 2 раза, что объясняется снижением влияния рекреационной нагрузки на водный объект, и вместе с тем снижением концентраций биогенных ионов. Однако численность СБ не достигает значений, отмеченных на фоновом участке. Присутствие микроорганизмов данной эколого-трофической группы ниже плотины ГРЭС объясняется высокой температурой воды в водохранилище, что формирует благоприятные условия для их развития. По численности сапрофитных бактерий водохранилище относится к категории загрязненных вод, за исключением фоновых участков р. Черная, воды здесь относятся к категории «слабо загрязненные» [15, с 38]. Анализ санитарно-показательных микроорганизмов показал, что во всех пробах воды присутствуют БГКП, что является индикатором свежего фекального загрязнения водного объекта [16, с. 95, 99]. Наибольшие значения численности отмечены в тт. 7–10, их пространственное распределение имеет похожий характер с численностью СБ.

 

Рисунок 3 – Численность бактерий различных эколого-трофических групп (СБ – сапрофитные бактерии; БЦА – бактерии цикла азота; БГКП – бактерии группы кишечной палочки) и коэффициенты минерализации (К_м)

 

Численность бактерий, усваивающих минеральные формы азота и полимерные органические субстраты (БЦА), использовали для расчета коэффициента минерализации (К_м), который позволяет оценить интенсивность процессов самоочищения водного объекта. Наибольшие коэффициенты минерализации (рис. 3) отмечены в акватории водохранилища ниже плотины, а также на фоновом участке р. Черная (тт. 1 и 2). В точках 3–9, расположение которых связано с близостью расположения СОТ, и в точке 13, где производится водосброс, коэффициент минерализации снижается и составляет 0,5 ед., что свидетельствует о низкой способности водного объекта к самоочищению на данных участках акватории.

Хорошим диагностическим признаком уровня загрязнения водного объекта является соотношение числа грамположительных (Г⁺) и грамотрицательных (Г⁻) форм бактерий. В незагрязненных водоемах преобладают Г⁺ формы бактерий, увеличение доли Г⁻ форм свидетельствует об антропогенной нагрузке на водный объект [17; 18, с. 26; 19, с. 132–133]. Результаты подсчета морфологии и грампринадлежности изолированных культур бактерий представлены на рис. 4. Во всех исследованных пробах воды, за исключением точек 6 и 7, в числе изолированных колоний бактерий доминировали Г⁺ формы. Значительная доля Г⁻ форм (более 40%) выявлена в точках 6 и 7 в зонах влияния СОТ «Буровик» и «Рассвет» с выходом дачных участков в акваторию.

 

Рисунок 4 – Грампринадлежность и морфологические формы бактерий в пробах воды

 

Индикатором уровня органического загрязнения водного объекта также является соотношение морфологических форм бактерий. Так, на завершающих стадиях распада органического вещества в водоеме преобладают кокки, высокая численность палочковидных форм бактерий свидетельствует о большом количестве трудноразлагаемого органического вещества [17; 18, с. 26–27; 20]. Доля палочковидных форм бактерий от общего числа изолированных колоний составила от 27% (в тт. 6 и 8) до 100% (в т. 7). На фоновом участке р. Черная и на участке акватории водохранилища ниже плотины ГРЭС все изоляты бактерий были представлены кокковидными формами. Большое количество палочковидных форм бактерий было выделено в точках 6–8, где располагаются СОТ. В перечисленных точках значительную долю среди выделенных бактерий составляли Г⁻ формы, коэффициенты минерализации варьировали в диапазоне 0,4–0,5. Из чего можно заключить, что трудноразлагаемая органика, накопленная в перечисленных точках, имеет не природное, а антропогенное (возможно, фекальное) происхождение, поступающее от садовых участков.

Для корреляционного анализа (табл. 1), помимо данных о численности бактерий, были использованы данные о гидрохимических показателях проб воды, которые были опубликованы ранее [5]. Бактерии всех изучаемых групп осуществляют процессы микробиологического самоочищения водного объекта от органических веществ с образованием подвижных биогенных ионов. Полученные взаимосвязи подтверждают нормальное протекание процессов микробиологической трансформации органики в водохранилище. Так, получены положительные коэффициенты корреляции средней силы численности бактерий с температурой воды (0,49–0,61), перманганатной окисляемостью (0,74–0,75), концентрацией нитрит-ионов (0,5–0,62), ионов аммония (0,4–0,64). Также мы получили высокие положительные корреляционные взаимосвязи численности бактерий различных групп между собой (0,8–0,93), что объясняется гетеротрофным характером питания микроорганизмов.

 

Таблица 1 – Результаты корреляционного анализа

Коррелирующие показатели	Коэффициент корреляции Пирсона
БЦА/Температура воды	0,61
СБ/Температура воды	0,57
БГКП/Температура воды	0,49
БЦА/Перманганатная окисляемость	0,74
СБ/Перманганатная окисляемость	0,75
БГКП/Перманганатная окисляемость	0,74
БЦА/NO₂⁻	0,55
СБ/ NO₂⁻	0,82
БГКП/ NO₂⁻	0,5
БПN/NH₄⁺	0,4
СБ/ NH₄⁺	0,64
БГКП/ NH₄⁺	0,42
БЦА/СБ	0,86
БЦА/БГКП	0,93
СБ/БГКП	0,80

 

Выводы

1. Выполнена оценка площади нарушенных компонентов ландшафта при затоплении ложа водохранилища. Общая площадь акватории составила 2211 га, в том числе под затоплением оказались 50% лесных, 20% луговых, 5% болотных сообществ. Для ведения экологического мониторинга создана опорная экологическая карта окрестностей водохранилища с указанием природных и техногенных объектов, которая в дальнейшем была использована для обоснования выбора точек отбора проб воды.
2. Изучена численность бактерий трех эколого-трофических групп в структуре микробного сообщества. По численности сапрофитных бактерий водохранилище-охладитель относится к категориям «слабо загрязненные» на фоновом участке р. Черная и «загрязненные» в остальных контрольных створах. Во всех пробах воды были выявлены бактерии группы кишечной палочки, что подтверждает фекальное загрязнение. Значительная доля Г⁺ кокковидных форм бактерий была выявлена на фоновом участке реки Черная и в акватории водохранилища ниже водозаборной плотины. Потенциал водоема-охладителя к самоочищению с наибольшими коэффициентами минерализации органического вещества был наиболее высоким на тех же участках акватории. Полученные корреляционные взаимосвязи подтверждают нормальное протекание процессов микробиологической трансформации органики в водохранилище.
3. Индикаторами антропогенной нагрузки на водный объект по микробиологическим показателям являются высокая численность сапрофитных гетеротрофных бактерий и бактерий группы кишечной палочки, преобладание в структуре микробного сообщества грамотрицательных палочковидных форм бактерий, низкие значения коэффициента минерализации. Антропогенная нагрузка преимущественно рекреационного характера формируется от садово-огороднических товариществ, выходящих к акватории водохранилища. Техногенное воздействие на микробное сообщество от тепловых электростанций выражается в создании оптимального температурного режима для развития бактерий в результате сброса нагретых циркуляционных вод.

About the authors

Elena Aleksandrovna Shornikova

Surgut State University

Email: capucin72@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Ecology Department

Russian Federation, Surgut, Khanty-Mansi Autonomous Okrug - Yugra

Gleb Mikhaylovich Kukurichkin

Surgut State University

Author for correspondence.
Email: lesnik72@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Ecology Department

Russian Federation, Surgut, Khanty-Mansi Autonomous Okrug - Yugra

References

Supplementary files